精确、低功耗的遥感理念

作者：Aaron Schultz

此处显示的遥感示例具有高可靠性、易于连接和极低的功耗。这些电路面向需要可靠通信和最少电池维护的工业环境。这些解决方案将低功耗、高精度放大方面的最新进展与相对低功耗、高可靠性的无线网状网络功能相结合。支持这些解决方案的是零漂移、低输入偏置放大器LTC2063（最大工作电流为2 μA）和LTP5901-IPM（睡眠模式下功耗低于1.5 μA）。这些器件的功耗足够低，以至于它们可以由铜和锌电极组成的台式电池供电，每个电极面积为四英寸见方，电解质由柠檬的精髓内脏组成。

无线网状网络

在工业环境中，在无线网络上执行和检索的测量很少需要高速，但它们通常需要高可靠性和安全性，此外还需要低功耗操作以最大限度地延长电池工作时间。LTP5901-IPM 在 802.15.4e 无线网络中形成一个节点或智能网状 IP Mote。LTP5901-IPM 集成了一个 10 位、0 V 至 1.8 V ADC 和一个内部 ARM Cortex-M3 32 位微处理器，可实现易于编程的检测。此微尘专为安全性、可靠性、低功耗、灵活性和可编程性而设计。®®®

四感应用

总体而言，以下电路的设计不需要火箭科学。然而，它们整洁、高效，并且针对特定应用进行了精心定制。复杂性不是必需的，事实上，这将是一个成本和可靠性风险。

每个电路在输入端接合一个传感器，并处理传感器输出以产生输出电压。当LTP5901-IPM 10位ADC作为输入时，每个电路都尝试映射输入以捕获0 V至1.8 V范围内的大部分电压。

基本电池电压检测

图1所示为检测分压的典型同相单位增益负反馈运算放大器配置。LTP5901输入端的ADC范围为0 V至1.8 V.R1和R2以最小的静态电流分压电池电压，以实现持久的电池寿命。LTC2063 的输入偏置电流足够低，即使这些大电阻值也不会影响最终的 10 位 ADC 准确度。LTC2063 消耗的电源电流极少，并提供了相对于时间和温度的零漂移优势。

图1.简单的电池电压检测。

电流感

电池供电和隔离电子设备的美妙之处在于能够在任何地方放置接地。人们可以在最方便的电路拓扑中检测电流而不会损失通用性，同时将端子放置在相对于本地接地的任何位置。对于4 mA至20 mA工业环路等单极性电流，可以使用传统的低边拓扑结构安全地检测相对于本地接地的情况。图2显示了流过一个非常小的电阻R2的电流，该电阻产生检测电压。由于放大器的零漂移、极低值失调电压性能，该输入电压可能非常小。所示电路将501 mΩ检测电阻产生的输入增益提高101 V/V。在 20 mA 时，V外为 1.012 V。可以选择其他值，以最大限度地利用ADC的1.8 V范围。

图2.电流检测电路。

电阻 R4 相对较低，并充当 LTC2063 输入电容的低阻抗分流器。因此，大R1反馈电阻和输入电容之间的相互作用不会影响稳定性。

该电路针对0 mA至35 mA的测试电流范围进行了优化，映射到0 V至1.8 V ADC范围。

辐照度计

图2所示电路还可用于测量太阳能电池的短路电流。硅和其他太阳能电池在短路电流模式下运行时，电流与辐照度呈高度线性关系。短路电流是来自0 V的太阳能电池的电流。图3中的电路在最大电流下无法将太阳能电池精确保持在0 V;但是，即使在阳光下为20 mA，电压也仅为10 mV。太阳能电池两端的10 mV电平实际上在其I-V曲线上很短。

图3.在短路中使用太阳能电池进行辐照度测量。

人们可能会想到一个跨阻放大器（TIA）。TIA可以在太阳能电池上施加0 V的电压并测量电流。这种电路的问题在于运算放大器在整个辐照度范围内提供太阳能电池的电流。当优先考虑远端检测电路的最小功耗时，电池通过运算放大器的20 mA电流是不可接受的。

鉴于需要保持在0 V附近，应使用一个小的检测电阻。位于远程、电池供电的小电压检测再次建议使用非常准确的低功率放大器，例如 LTC2063。

太阳能装置产生的物理布局正是需要具有零温度漂移测量的无线网状网络的各种物理布局。幸运的是，硅光电二极管在短路条件下相对于温度相当稳定。利用 LTC2063 和 LTP5901-IPM 的简单而稳健的设计与硅太阳能电池相结合，是在环境温度条件不断变化的大型安装现场进行检测的理想解决方案。

使用热电偶进行温度测量

热电偶电压可以是正电压，也可以是负电压。图4所示电路结合了微功耗基准和微功耗放大器来检测正负极微小电压。幸运的是，如果热电偶与其被测器件（DUT）电气隔离，则可以放置在任何方便的电压域。图4中的示例使用LT6656-1.25将热电偶偏置为1.25 V。电路输出是1.25 V基准电压源上的小热电偶电压的高增益版本。0 V至1.8 V的ADC范围是此配置的合理目标。如果不采用零漂移、低失调放大器，大约2000 V/V的极高增益是不可行的。

图4.热电偶检测电路。

结论

极低的功率，精确的遥感是绝对可以实现的。本文所示的示例揭示了将低功耗、高精度放大器与可编程片上系统无线网状节点相结合的简单性。